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光纖是如何制造出來的？

發布時間：2024-02-27來源：

和其他許多新發明一樣，光纖的誕生源自理論假設。早在19世紀初，人們就發現可以利用水、玻璃等介質傳播光，但是怎樣讓看似無法捕捉的光，按照人類設想的路徑傳播卻始終是個難題。直到出現一個叫C.V.boys的科學狂人，他嘗試過將玻璃熔化放入非常細的容器內再吹出，也試過用特制槍拉絲，甚至想過用火箭拉出玻璃絲，但都以失敗收場。最終，他發現了一個當時看來制造光纖絕佳的工具——弩，并用此制作了世界上第一根長達9英尺的光纖。

這樣看來，光纖貌似也不過是把玻璃拉成絲，但并沒有那么簡單，光纖所需的玻璃純度非常高，是我們常見的普通玻璃所無法企及的。

如何制作這種高純度的玻璃就不得不提到光纖的核心產品——光纖預制棒。光纖預制棒主要由芯棒和外包層組成，棒芯的主要原料包括高純四氯化硅、四氯化鍺等。當前較常用的棒芯生產工藝有，汽相軸向沉積法（VAD）、外氣相沉積法（OVD）、改進氣相沉積法（MCVD）和等離子體化學氣相沉積法（PCVD）等。

四種工藝對比

OVD工藝最早由美國康寧公司研發，主要分“沉積”“燒結”兩步走。OVD制備石英套管技術是以氫氧焰或硅烷為熱源，用單一或多組噴燈在靶棒上對SiCl等反應氣體進行氣相水解并沉積得到SiO2疏松體，然后在Cl2和He下經過脫水和燒結成為玻璃體，經過后續冷加工直接獲得石英套柱，亦可進一步拉成和各芯棒匹配的相應尺寸小尺寸石英套管。

VAD工藝1977年由日本電報電話公司（NTT）研發，其與OVD最大的差別在于，VAD是自下而上垂直方向沉積的，OVD是將靶棒水平方向放置并沉積的。而且VAD“沉積”“燒結”是在同一臺設備中不同空間同時完成的。

OVD和VAD均可制作大尺寸光棒且沉積速率高，但粉塵處理代價高且設備昂貴，工藝較難掌握。

MCVD工藝同樣分兩步走，分別是“沉積”和“成棒”。與上面兩種不同的是，MCVD技術先有一個石英玻璃管外殼，SiCl4、GeCl4等液態原材料在高溫下發生氧化反應生成SiO2、B2O3、GeO2、P2O5微粉，沉積在石英反應管的內壁上。沉積結束后，提高溫度至2200℃以上，將玻璃與反應管在一定壓力條件下，熔縮成一根實心的棒。由于整個系統處于全封閉的超提純狀態，制得的預制棒往往純度非常高。

PCVD工藝也是“沉積”和“成棒”兩個基本步驟，且在石英玻璃管內進行。但與MCVD工藝不同的是，PCVD工藝“沉積”是借助低壓等離子，使流進高純石英玻璃沉積管內氣態鹵化物和氧氣在大約1000C°高溫下直接沉積。“成棒”則是將沉積好的石英玻璃管移至成棒用的車床上，利用氫氧焰高溫作用將該管熔縮成實心的光纖預制棒芯棒。

一般認為，芯棒的制造決定了光纖的傳輸性能，而外包層則決定光纖的制造成本。現今光纖外包層制造技術包括套管法（RIC)、阿爾卡特（Alcatel）公司發明的等離子噴涂法（PlasmaSpary)、火焰水解法（SOOT）和美國朗訊科技公司發明的溶膠法-凝膠法（Sol-gel法），其中SOOT法是泛指OVD和VAD等火焰水解外沉積工藝。

“出爐”的預制棒稍置片刻后便可以進入下一步驟——拉絲。普通拉絲塔約有30m高，最大單根預制棒拉絲長度可達8000km以上，一年可生產五百萬芯公里。光棒垂直放置于拉絲爐內，爐內高達2000攝氏度的高溫，很快就將看似堅硬的光棒固體熔融軟化，然后通過牽引力拉成直徑在125μm的細絲。拉絲過程需要高度的精密控制，以確保最終的光纖具有均勻的直徑和出色的光學性能。為使光纖更加堅韌在拉絲的過程中就要為其涂覆樹脂，并使用紫外固化，使涂覆成型，最終完成牽引收絲。在拉絲塔的最底層，收線輪將加工好的光纖盤在一起。

這些盤起來的光纖都要進行嚴格的檢測和測試，以確保其質量符合標準。測試包括光學性能測試、機械性能測試、抗拉強度測試等。只有通過這些測試，光纖才能被認定為合格。

隨著技術的發展，如今我國光纖制造早已完成了從依賴進口到完全自主生產的蛻變，國內企業對于光纖制造技術的掌握也更加靈活和熟練。當前，我國已成為光纖光纜制造大國，為國際市場提供產品、技術輸出。中國制造業在光纖生產領域取得種種突破性成就，將為更廣泛的信息傳輸、互聯網連接以及其他領域的發展提供堅實的基礎，為我國的數字化未來加速，同時也是中國制造業在全球舞臺上的力量不斷壯大的寫照。